CN117406746B - 一种考虑恶劣海况的渔船航迹保持控制器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种考虑恶劣海况的渔船航迹保持控制器的设计方法，包括：考虑恶劣海况，设计渔船航迹保持控制器；应用积分分离式，对渔船航迹保持控制器进行控制；基于设计的渔船航迹保持控制器，设计控制率；基于设计的控制率，设计非线性函数。本发明针对渔船设计了一款间接式航迹保持控制器，有效处理了积分项对控制系统的影响，平衡了系统控制能量。在恶劣海况的干扰下提高了航迹保持的跟踪精度，满足控制系统对稳定性、准确性与安全性的需求。本发明设计的控制器，结合基于正弦函数的非线性反馈控制算法与改进后的闭环增益成形算法，突破传统单位反馈系统的结构特点以及渔船所存在的大惯性、长时滞的固有特征，完成了控制器输入端的能量优化。

Description

一种考虑恶劣海况的渔船航迹保持控制器的设计方法

技术领域

本发明涉及渔船自动化航行装备应用技术领域，具体而言，尤其涉及一种考虑恶劣海况的渔船航迹保持控制器的设计方法。

背景技术

船舶的运动模型可以用状态空间模型描述，也可以用传递函数描述。前者对系统内部状态加以利用，可通过测量与系统输出无直接关联的内部变量进行控制来达到更高的精度，但该方法计算复杂。后者又称为响应模型，它略去了船舶横漂速度而考虑船舶舵角与艏摇角之间的关系，具有“简捷”实用的特点。传统一阶响应型非线性nomoto模型具体形式如下：

对于静态不稳定船舶，式(1)左端第二项需以一个非线性的替代，引入三阶项使系统响应的非线性情况能更好拟合，且有：

其中，ψ为船舶艏向角，考虑被控对象的运动模型如式(3)所示：

Line-of-Sight(LOS)算法可以将航迹保持问题简化为航速控制、艏向控制以及纵倾控制问题。其大致流程为：通过更新所跟踪路径上的虚拟目标点，使得船舶艏摇角发生改变，从而更新船舶目标航向，并不断重复此进程，使得船舶最终收敛至目标航迹且沿此航迹行进。航迹控制设计航向参考如图1所示，考虑如图航迹V_K-1V_K由离散航迹点(…,V_K-1,V_K,…)构成，船体质心至航迹段的垂直距离(即航迹偏差)为d，垂足S点沿航迹方向Δ距离有虚拟目标点H。常规LOS算法为完成路径的跟踪需要2个步骤：

步骤一、确定航迹偏差d并使其收敛为0。

步骤二、更新虚拟目标点H的位置，基于H的位置更新船舶的期望航向ψ_d，寻找新的ψ_d并一直持续到船舶到达V_K。

现如今对渔船领域的研究多集中于渔船作业特征研究、渔船概率安全评估^[4]以及渔船节能减排^[5]等方面。由于渔船工作形式特殊，其控制器设计难度较大^[6]。随着渔业的快速发展，渔船控制技术水平的需求也不断提高，因此针对渔船智能装备的研究迫在眉睫。本发明旨在解决常见渔船在恶劣海况下航迹保持控制器设计难度较大的技术难题，传统控制器所使用PID算法存在积分项的影响且系统控制能量过大，从而导致航迹跟踪不准确、系统存在超调。而在恶劣海况的影响下，我们期望的结果是控制器具备良好的抗风力、流力干扰的能力，且执行器动作幅度尽可能减小，以满足系统稳定性、准确性的前提。基于以上分析，传统航迹保持算法主要存在以下三点缺陷：

一、现有的航迹保持控制中执行器动作频繁且幅度较大，增加了执行器的机械磨损，而在恶劣海况条件下过度的机械消耗会增加发生安全事故的隐患。

二、现有算法存在控制能量过大的情况，这一情况不利于船舶航迹保持精度的提高，且增加了系统趋于稳态的调节时间，进而影响系统的准确性与稳定性。

三、常规PID控制器中的积分项会对系统造成一定影响，若积分项过大会导致系统超调，积分项过小则无法快速消除稳态误差。

发明内容

根据上述提出以上船舶航迹保持控制中常见的技术问题，针对渔船设计了一款间接式航迹保持控制器，有效处理了积分项对控制系统的影响，平衡了系统控制能量。在恶劣海况的干扰下提高了航迹保持的跟踪精度，满足控制系统对稳定性、准确性与安全性的需求。

本发明采用的技术手段如下：

一种考虑恶劣海况的渔船航迹保持控制器的设计方法，包括：

S1、考虑恶劣海况，设计渔船航迹保持控制器；

S2、应用积分分离式，对设计的渔船航迹保持控制器进行控制；

S3、基于设计的渔船航迹保持控制器，设计控制率；

S4、基于设计的控制率，设计非线性函数。

进一步地，所述步骤S1，具体包括：

S11、构建常规的闭环控制回路，如下：

其中，y_m为测量的输出，y为实际输出，且有y_m＝y+n；

S12、设计补灵敏度函数T，使得奇异值曲线近似表示为最大奇异值为1的一阶、二阶或三阶惯性系统的频谱曲线，取n为设计阶数，ω为交接频率，设X＝1/(nω)，通过计算推算出控制器K：

S13、取高频渐近线斜率为-20_dB/dec，即阶次n＝1，取交接频率ω＝0.34，此时X＝3，即得到渔船控制器K_f：

S14、利用控制系统的鲁棒性，在渔船控制器K_f中加入一个的积分项，使系统在达到稳态时逼近预设的目标值，改进后的PID控制器为：

K_PID＝0.99+0.01/s+5.87s。

进一步地，所述步骤S2中，应用积分分离式，将控制改进后的PID控制器表示为：

进一步地，所述步骤S2中，对设计的渔船航迹保持控制器进行控制的过程，具体包括：

S21、当|e(k)|≤π/30时，采用改进PID控制算法，此时β＝1，K_I＝0.03，渔船航迹保持控制器为：

K_f*＝0.99+0.03/s+5.87s

S22、当|e(k)|＞π/30时，采用PD控制算法，此时β＝0，K_I＝0.01，渔船航迹保持控制器为：

K_f＝0.99+5.87s。

进一步地，所述步骤S3中，设计的控制率为：

k＝f(e)g(e)

其中，g(e)是非线性反馈函数，用来进行非线性反馈转换。

进一步地，所述步骤S4中，设计的非线性函数为：

其中，γ为调整参数，e为航向误差。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明针对渔船设计了一款间接式航迹保持控制器，有效处理了积分项对控制系统的影响，平衡了系统控制能量。在恶劣海况的干扰下提高了航迹保持的跟踪精度，满足控制系统对稳定性、准确性与安全性的需求。

2、本发明设计的控制器，结合了基于正弦函数的非线性反馈控制算法与改进后的闭环增益成形算法，突破了传统单位反馈系统的结构特点以及渔船所存在的大惯性、长时滞的固有特征，进一步完成了控制器输入端的能量优化。

3、考虑恶劣海况的影响，本发明所设计的航迹保持控制器在满足航迹误差小于3.5m的基础上减小了操舵极值，以降低舵机的机械消耗，使控制器可以更好的适应恶劣海况。同时为存在较大干扰时的航行安全提供进一步的保障。

4、本发明设计的航迹保持控制器以舵角为控制输入，船舶艏向角为控制输出，具有控制精度高的特点，为海洋渔业智能装备设施的发展做出一定的贡献。符合进一步推动渔业高质量发展，提高渔业现代化水平，构建渔业发展新格局的要求。

基于上述理由本发明可在渔船自动化航行装备应用等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中LOS算法设计航向参考。

图2为本发明间接式航迹保持控制流程图。

图3为本发明积分分离式PID控制算法程序框图。

图4为一类常见的闭环控制回路。

图5为通常形式下期望的灵敏度曲线图。

图6为本发明实施例提供的三维模型仿真图。

图7为本发明实施例提供的蒲式7级风下的风浪模型。

图8为本发明实施例提供的目标航向20°下闭环增益成形控制器改进前后的航向保持效果图。

图9为本发明实施例提供的控制器改进前后的航迹保持效果对比图。

图10为本发明实施例提供的算法改进前后航向误差图。

图11为本发明实施例提供的算法改进前后航迹误差图。

图12为本发明实施例提供的算法改进前后舵角变化图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图2所示，本发明提供了一种考虑恶劣海况的渔船航迹保持控制器的设计方法，包括：

S1、考虑恶劣海况，设计渔船航迹保持控制器；

S2、应用积分分离式，对设计的渔船航迹保持控制器进行控制；

S3、基于设计的渔船航迹保持控制器，设计控制率；

S4、基于设计的控制率，设计非线性函数。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S1，具体包括：

S11、构建常规的闭环控制回路，如下：

如图4所示，为常见闭环控制回路，其中，y_m为测量的输出，y为实际输出，且有y_m＝y+n；

S12、本发明算法的本质是设计补灵敏度函数T，使得奇异值曲线近似表示为最大奇异值为1的一阶、二阶或三阶惯性系统的频谱曲线，灵敏度函数S与补灵敏度函数T的灵敏度曲线通常形式如图5所示。取n为设计阶数，ω为交接频率，设X＝1/(nω)，通过计算推算出控制器K：

S13、取高频渐近线斜率为-20dB/dec，即阶次n＝1，取交接频率ω＝0.34，此时X＝3，即得到渔船控制器K_f：

S14、该控制器为PD形式，这种形式的控制器在一般情况下无法有效消除稳态误差，故需要利用控制系统的鲁棒性，在渔船控制器K_f中加入一个很小的积分项，使系统在达到稳态时逼近预设的目标值，改进后的PID控制器为：

K_PID＝0.99+0.01/s+5.87s。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，针对于PID控制中积分项对系统稳定性的影响，本发明进一步引入积分分离式设计进行调整，其基本思路是：当被控量与设定值偏差较大时，取消积分作用，以免由于积分作用使系统稳定性降低、超调量变大；当被控量接近给定值时引入积分控制，以便消除静差，提高控制精度。如图3为积分分离式PID控制程序框图，本发明选取积分给定阈值为π/30，选取积分增益值为0.03，以达到最佳控制效果。即：所述步骤S2中，应用积分分离式，将控制改进后的PID控制器表示为：

所述步骤S2中，对设计的渔船航迹保持控制器进行控制的过程，具体包括：

S21、当|e(k)|≤π/30时，采用改进PID控制算法，此时β＝1，K_I＝0.03，渔船航迹保持控制器为：

K_f*＝0.99+0.03/s+5.87s

S22、当|e(k)|＞π/30时，采用PD控制算法，此时β＝0，K_I＝0.01，渔船航迹保持控制器为：

K_f＝0.99+5.87s。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，解决积分项对渔船航迹保持系统的干扰后，继续解决控制器输出能量较大的问题。采用正弦函数驱动的非线性反馈技术进行处理，其原理是设计步骤S3中的控制率，达到以更小的激励驱动更优的响应。所述步骤S3中，设计的控制率为：

k＝f(e)g(e)

其中，g(e)是非线性反馈函数，用来进行非线性反馈转换。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，根据本发明的实际情况，在安全、稳定、准确的前提下不考虑快速性，只需要执行舵角大于直航压舵角就可以满足发明初衷，故而本发明使用的非线性函数如下：

其中，γ为调整参数，这里取π/4；e为航向误差，若e≥π/2，取e＝π/2。

实施例1

为了验证本发明所提出控制器的有效性，本实施例将以常见的32.98m玻璃钢拖网渔船(SDB8102)进行仿真实验，通过MATLAB中的Simulink模块构建被控对象模型。首先验证积分分离式PID控制以及所设计非线性控制器在航向保持中的效果，设定航向保持的目标航向为20°。在系统中加入风浪干扰，其具体参数为：风力蒲式7级、风向60°，海浪为风生浪，浪高2.5m～4m，其三维模型仿真图及风干扰二维风场模型如图6、7所示。算法改进前后被控系统的舵角和航向的输出如图8所示。

实施例2

算法改进后操舵极值由9°降低为6.3°，减小了舵机的耗能与磨损。同时，改进算法后舵机可以更快的进行响应，使得航向保持在既定的20°上下，而原算法存在稳态误差，在相同时间内无法快速跟踪指定航向。在恶劣海况下，应尽可能减小操舵幅值且准确、快速的跟踪指定航向。

实施例3

本实施例验证航迹保持效果，设定初始航向0°，初始船位(0,0)，航速11kn。仿真预设航路点的设计选取环形路线，模拟渔船在行驶过程中进行大角度转向与小角度转向的情况。与此同时模拟船体各角度遭遇外界干扰时的航迹保持，可以认为若渔船在该仿真航线下的航迹保持效果良好，则该渔船可以实现恶劣海况下的安全归航。航迹保持的仿真结果见图9所示，并在图10、11、12中对两次仿真结果的航向误差、航迹误差以及舵角的变化进行对比分析。改进后的控制算法可以有效的满足渔船在恶劣海况下的航迹保持，且在面临转向时操舵极值更小，轨迹更平滑。积分分离式PID控制的引入为航迹保持中稳态误差的消除产出较为显著的效果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种考虑恶劣海况的渔船航迹保持控制器的设计方法，其特征在于，包括：

S1、考虑恶劣海况，设计渔船航迹保持控制器，具体包括：

S11、构建常规的闭环控制回路，如下：

其中，y_m为测量的输出，y为实际输出，且有y_m＝y+n；

S12、设计补灵敏度函数T，使得奇异值曲线近似表示为最大奇异值为1的一阶、二阶或三阶惯性系统的频谱曲线，取m为设计阶数，ω为交接频率，设X＝1/(mω)，通过计算推算出控制器K：

S13、取高频渐近线斜率为-20dB/dec，即阶次m＝1，取交接频率ω＝0.34，此时X＝3，即得到渔船控制器K_f：

S14、利用控制系统的鲁棒性，在渔船控制器K_f中加入一个的积分项，使系统在达到稳态时逼近预设的目标值，改进后的PID控制器为：

K_PID＝0.99+0.01/s+5.87s；

S2、应用积分分离式，对设计的渔船航迹保持控制器进行控制；

步骤S2中，应用积分分离式，将控制改进后的PID控制器表示为：

步骤S2中，对设计的渔船航迹保持控制器进行控制的过程，具体包括：

S21、当|e(k)|≤π/30时，采用改进PID控制算法，此时β＝1，K_I＝0.03，渔船航迹保持控制器为：

K_f*＝0.99+0.03/s+5.87s

S22、当|e(k)|＞π/30时，采用PD控制算法，此时β＝0，K_I＝0.01，渔船航迹保持控制器为：

K_f＝0.99+5.87s

S3、基于设计的渔船航迹保持控制器，设计控制率；

步骤S3中，设计的控制率为：

k＝f(e)g(e)

其中，g(e)是非线性反馈函数，用来进行非线性反馈转换；

S4、基于设计的控制率，设计非线性函数；

步骤S4中，设计的非线性函数为：

其中，γ为调整参数，e为航向误差。